试谈数控机床、加工中心的结构设计

虽然数控机床、加工中心是由普通机床发展而来，但要满足高速、高效、高精度又要能承受大负荷，普通机床的传统结构已不能满足要求。在加工中心等机床设计上必须采用一些适合于数控机床的结构。

1　主轴组件结构

（1）前轴承　原来的双联轴承（图1a）已满足不了大负荷的要求，应改用三联或四联角接触球轴承（图1b）。

（2）原来图1a中修法兰盖1的端面保证不了端面与孔的垂直度要求。为了提高轴承的调整精度应改为如图1b中用挡圈5、6修磨调整式，以便提高修磨精度。为了保证三个轴承的外圈互相压紧，法兰盖4外端面外应有0.1～0.15mm间隙。

（3）图1a所示的锁紧螺母3，在锁紧时不能保证端面的垂直度，应改为如图1b中的用两个螺母8、9。8为调整螺母，9为锁紧螺母，调整与锁紧分开，两者端面不接触，等调整好后，再用螺钉把两者固定。可避免锁紧螺母的歪斜影响。

（4）为了提高轴承的寿命，防止加工时灰尘、油污进入轴承增加磨损，应如图1b所示在加工过程中用压缩空气向孔口吹气，气缝口的间隙为0.2mm。吹气能起到很好的清洁效果。但是这种结构较复杂，要求不高时可改用图1c结构，前法兰盖与轴配合处采用螺旋密封（只适用于单向转动的主轴），其赶油方向要特别注意。若把方向搞错，则不但不能密封，相反的却把冷却液赶向漏出方向，则使泄漏量大为增加，使轴承污染更严重，即使是油脂润滑轴承，会使温升大增，并对轴承寿命不利。图中表明了螺旋密封的赶油方向，设轴的回转方向n从右向左看为顺时针方向，如欲起赶油方向向左，则螺纹加工于法兰盖11上的孔内时，则螺纹方向应为右旋，反之螺纹在轴上则为左旋。螺纹以矩形螺纹最好，间隙愈小愈有利，对矩形螺纹间隙以0.04～0.06 mm，对三角形螺纹以0.02～0.04mm为宜。如间隙大，则液体不能附着于轴与孔的表面上，则螺旋密封不起赶油作用，密封无效。在法兰盖内孔表面涂一层石墨，这样万一轴变弯而相碰仅仅刮一些石墨，而不产生金属接触摩擦。

2　机床导轨设计

从机械结构的角度来说，机床的加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导轨的质量。数控机床、加工中心对导轨有更高的要求，如高速进给时不振动，低速时不爬行，有高的灵敏度，能在重载下长期工作，耐磨性高、保持性好等。要满足这些要求，应在导轨材料和结构上作相应的变动。设计时选用的原则如下：

（1）导轨的各项精度互不影响，压强小的原则　从导轨制造工艺性考虑，导轨的各项精度要互不影响，才易得到高精度。如矩形导轨顶面的直线度与侧面的直线度制造时互不影响。而且其接触面大，当量摩擦系数比三角形导轨小，压强小磨损小，故常为加工中心所采用。

（2）静动摩擦系数相接近的原则　传统的铸铁—铸铁滑动导轨副，由于其摩擦系数平均值达0.25，而且静动摩擦系数相差很大，限制了定位精度的提高。如重500kg的部件，重复定位精度仅能达到0.01～0.02 mm，满足不了精密化的要求。这种导轨还容易产生爬行，对精度影响很大。若采用滚动导轨，则摩擦系数只有0.002～0.003，重复定位精度可达1μm以下，灵敏度高，这种导轨的缺点是抗震性差，且难以承受大的负荷，只能用于受力较小的机床。

近年来国内外研究出了一些新的贴塑导轨，这种导轨材料是：底基为0.8普通含锰低碳钢带、厚度1～2mm，钢带上烧结一层0.2mm的ZQSn10-1高锡青铜珠、厚度约0.3mm，再压上一层0.02～0.04mm。

厚的聚四氟乙烯（F-4）和二硫化钼混合粉末。并做成软带状。国外生产的以美国霞板（Shamoan）公司的Turcite-B应用最广。我国广州机床研究所的TSF导轨软带，也基本上赶上。摩擦系数与速度曲线见图2，我厂在THM6340型卧式加工中心和立式加工中心上使用，情况良好，保证了机床定位精度±3～5μm的水平。

（3）移动件来回移动时倾侧力矩最小的原则　为了提高移动件来回移动的重复精度，要求驱动件安排在导轨跨距的中间，牵引力在两导轨摩擦力的合力附近（图3）。根据我厂应用，配合导轨贴塑，重复定位精度可达±1μm。

（4）导轨全封闭贴合原则　为了承受X、Y、Z三个方向力量和倾侧力矩的影响，加工中心等机床导轨必须设计成上下左右全封闭（图3）。这种结构已被多种加工中心和数控机床所采用。

图4a是原来常用连接方式，用双平键1、2传动。图4b是整体式胀套连接，优点是结构简单、径向尺寸小、精度高。缺点是调整时要增加紧固螺钉3、盖板4和套，不够方便，松开也较困难。而且套的胀开是靠锥面，压紧时内套缩小，外套胀大，由于两个锥套圈没有开口，变形量只能在0.05～0.1mm之间，而且胀紧力的均匀性与两锥面的接触情况有关，不易达到固紧力。如用开口式，固紧力虽大但精度较低。夹紧力的调整变动过程情况见图5。

目前又发展了一种图4c双锥胀紧圈式。由于内外两圈都有开口，夹紧力较大。夹紧时只要紧固螺钉按120°三点进行均匀夹紧，在螺钉多时对零件的精度影响较小，松开后，可把整个圈成组取出。目前数控机床和加工中心上使用较多。其能承受切削力的大小，与下式中尺寸有关。

以Z2（类型）38（内径）×63（外径）C40-2（标准编号），14个紧固螺钉M6×18为例：

承受额定负荷：轴向力Ft=46kN；扭矩Mt=0.88 kN*m。胀圈与轴结合面上的压力Pf=185N/mm2（此处Pf仅与图4c结构有关，而图5中Pf又只与图4b结构有关，两者不一致）。螺钉的拧紧力矩MA为14N*m。当固紧力不足时，可增加胀圈个数，其增加的负荷系数为2个m=1.8；3个m=2.7。

由于胀圈套有较大的胀紧力，空心轴的壁厚就不能太薄，应满足以免变形增加，影响精度。式中：d为胀圈内径，mm；σs为空心轴的屈服极限，N/mm2；C为系数，当用一个胀套时为0.6，两个时为0.8。目前国内江苏省靖江县机床附件厂生产，值得推广。

4　全封闭的导轨防护罩

在加工中心进行切削时，铁屑、冷却液很多，极易进入导轨，增大导轨磨损，铁屑大时，易把工作台抬起影响导轨精度。一般简易的保护罩已满足不了要求，必须设计成全封闭式铁皮防护罩（图6）。这样，设计时下导轨长度为工作台长度、行程长度和两端防护罩最小收缩量后的总和。防护罩设计时应作如下改进：图6a防护罩上的刮板要设计成橡胶唇刮板；图6b罩壳下导轨上要设计成黄铜刮板；图6c上下铁皮罩壳的连接方法，由用图中①焊一个固定块螺纹固紧式改为图中②用一薄壁变形螺母，依靠螺钉固紧时的拉力使螺母前端薄壁变形成图中③在铁皮孔中胀死固定，就能达到较好效果。

5　浮动夹紧机构

精密机床的夹紧，原来存在着夹紧力、夹紧时移动件走动和引起导轨附加变形等问题，一般难以解决，只能采用铁皮夹紧方式，但它不能承受较大负荷，不适合加工中心使用。

现采用空气作为动力（没有热影响），夹紧机构采用了浮动夹紧式，见图7。

夹紧力采用增加一个增力缸，把压力增大为98～1076kPa（100～120个大气压）。夹紧方式对直线移动导轨采用图7a结构，导轨上左右导轨锁紧处1、2各设两点，共四点夹紧，采用浮动块3夹紧。对于回转导轨采用图7b结构，采用浮动气缸4、5上下随导轨面移动夹紧，故能达到既不增加导轨变形，又不增加移动件走动的目的，是一种巧妙的设计方式，可在加工中心、数控机床中推广使用。